Mesures de temps de propagation de groupe sur convertisseurs de fréquence sans accès aux OL

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1 Mesures de temps de propagation de groupe sur convertisseurs de fréquence sans accès aux Comment mesurer le temps de propagation de groupe sur des convertisseurs de fréquence dans lesquels le ou les oscillateurs locaux () des mélangeurs ne sont pas accessibles? Rohde&Schwarz a développé une méthode de mesure raffinée : la méthode à deux tons disponible avec l option R&S ZVA-K9 pour les familles d analyseurs de réseau R&S ZVA et R&S ZVT. Accès aux : oui ou non? Les convertisseurs de fréquence trouvent leur application dans les systèmes de communication sans fil et par satellite. Ces composants sont souvent utilisés dans des applications hyperfréquence où ils transposent côté émetteur, un signal en bande de base large bande à un signal haute fréquence et inversement côté récepteur, convertissent le signal RF en bande de base. De tels systèmes de communication doivent transmettre correctement les données avec des taux d erreurs minimum et donc présenter dans la bande utile non seulement une courbe d affaiblissement constante mais également une réponse en phase linéaire en fonction de la fréquence. Cette caractéristique est vérifiée en mesurant le temps de propagation de groupe relatif ou absolu à savoir la linéarité de phase en fonction de la fréquence pour l ensemble A propos du temps de propagation de groupe Le temps de propagation de groupe est défini comme étant la dérivée négative de la réponse en phase de l OST en fonction de la fréquence : dφ τ gr = 36 df Les analyseurs de réseau vectoriels mesurent successivement la phase du paramètre de transmission S 2 sur deux fréquences adjacentes et calculent non pas la dérivée mais les quotients de dérivée de la phase : φ τ gr = 36 f Cela fournit une bonne approche du temps de propagation de groupe recherché, tant que la variation de la phase peut être supposée suffisamment linéaire dans l intervalle de fréquence Δf observé (Δf est appelé aperture de fréquence). La figure illustre les termes Δφ = φ2 φ et Δf =. Cette méthode, basée sur la mesure de phase des paramètres S, est extrêmement précise étant donné que la justesse de mesure de l analyseur de réseau peut être encore améliorée par une procédure de calibrage appropriée. Elle excelle donc dans la réalisation de mesures sur des OST n effectuant aucune conversion de fréquence comme les amplificateurs ou des composants passifs tels que les filtres. Aperture de fréquence φ φ φ φ 2 f f Fig. Les termes Δφ = φ 2 φ et Δf =. Sur des OST à conversion de fréquence comme par exemple les mélangeurs, la phase entre le signal d entrée et de sortie ne peut pas être directement mesurée car le signal d entrée est converti en une fréquence de sortie différente. C est pourquoi les mesures de temps de propagation de groupe et de phase sur des mélangeurs pour lesquels l oscillateur local n est pas accessible, sont réalisées avec la méthode dite «Mélangeur de référence». Cette mesure ne convient cependant pas pour les convertisseurs de fréquence sans accès aux oscillateurs locaux.

2 Méthode à deux tons RF FI φ φ 2 Fig. 2 Mesure du temps de propagation de groupe suivant la méthode à deux tons. des composants impliqués dans le système de communication. Si l oscillateur local () du mélangeur est accessible, le temps de propagation relatif peut être caractérisé à l aide d une méthode appelée «mélangeur de référence» ou «Golden-Mixer». S il ne l est pas, une autre méthode doit alors être utilisée. Méthode à deux tons avec l option R&S ZVA-K9 Pour de nombreuses applications dans les domaines de l Aérospatiale et Défense, la méthode «Mélangeur de référence» ne peut pas être utilisée car l accès à l n est souvent pas disponible. De telles applications sont des domaines de prédilection pour l analyseur de réseau R&S ZVA doté de la nouvelle option R&S ZVA-K9 «Mesure de temps de propagation de groupe sur mélangeurs à internes». Contrairement aux solutions précédentes, la nouvelle méthode à deux tons de Rohde&Schwarz stimule le convertisseur avec un signal à 2 porteuses. L analyseur de réseau mesure simultanément les différences de phase entre les deux porteuses à l entrée et à la sortie de l objet sous test (fig. 2). A partir de ces différences de phase et de l écart de fréquence des porteuses, il calcule ensuite le temps de propagation de groupe comme dans la méthode de mesure classique des paramètres S. Cette méthode intuitive et facile à utiliser, laquelle ne requiert que quelques composants supplémentaires, se caractérise notamment par son insensibilité à la dérive de phase et de fréquence des oscillateurs locaux internes de l objet sous test (OST). Pour mesurer la phase entre deux signaux de fréquences différentes, le R&S ZVA utilise un frontal spécial (fig. 3), dans lequel le signal est converti en FI par un mélangeur abaisseur, ensuite numérisé par un convertisseur A/N puis converti à «zéro» dans un étage de mélange numérique avec un oscillateur local à commande numérique (NCO Numeric Controlled Oscillator) et filtré par un filtre numérique. Le R&S ZVA dispose pour chaque récepteur de deux étages de mélange et filtrage numérique au lieu d un et de deux NCO indépendants Frontal numérique du R&S ZVA FI Bande passante analogique FI Taux d'échantillonnage 8 MHz A N NCO NCO 2 Bande passante FI Hz à 5 MHz (3 MHz) Fig. 3 Le frontal numérique de l analyseur de réseau R&S ZVA. a a' Objet sous test à conversion de fréquence cos(((f + f ) t) + 2 φ2 + φ ) out RF FI cos(( t) + φ ) 2 in Fig. 4 Mesure de temps de propagation de groupe sur objets sous test à conversion de fréquence avec la méthode à deux tons. cos(( t) + φ in ) φ = (φ out + φ φ2 out φ ) (φ in φ2 in ) cos((( + f ) t) + φ out + φ ) ACTUALITÉS 2/ 2

3 présentant exactement le même décalage en fréquence que les deux porteuses du signal à deux tons. Ainsi, les rapports de phase et d amplitude entre les deux porteuses peuvent être déterminés simultanément dans chaque frontal et utilisés pour la mesure du temps de propagation de groupe. Cette méthode fonctionne également pour des objets sous test à conversion de fréquence puisque les variations de phase et de fréquence de l interne de l OST s annulent lors du calcul de la différence de phase entre les porteuses (fig. 4). Outre le temps de propagation de groupe, le R&S ZVA calcule également la phase relative en intégrant le temps de propagation de groupe ainsi que la dispersion par la dérivée du temps de propagation de groupe. L écart par rapport à la phase linéaire est calculé à partir du temps de propagation de groupe relatif (fig. 5). Le montage de mesure Pour réaliser des mesures précises, les porteuses RF du signal à deux tons doivent présenter le même écart de fréquence que les deux NCO du frontal. Dans l idéal, on utilise à cet effet les deux sources internes de l analyseur de réseau quatre ports R&S ZVA. Les deux porteuses sont regroupées en un signal à deux tons dans l analyseur de réseau à l aide d un coupleur (celui du PORT 3 en fig. 6) et réinjectées dans l adaptateur de test (en PORT de la fig. 6). Le récepteur de référence du PORT mesure la différence de phase entre les deux signaux d entrée. Le signal de sortie à deux tons est acheminé de l objet sous test au PORT 2 du R&S ZVA où la différence de phase entre les signaux de sortie est déterminée. Calibrage Le calibrage est effectué avec un mélangeur idéal ou connu (fig. 7). Ce mélangeur peut être caractérisé avec précision par exemple en utilisant une méthode de mesure telle que proposée par l option R&S ZVA-K5 (Vector Corrected Mixer Measurements) pour déterminer la phase absolue et le temps de propagation de groupe de mélangeurs. Si la mesure du temps de groupe relatif ou les variations du temps de groupe par rapport à une valeur absolue est suffisante, l hypothèse d un parfait «Golden Mixer» est utilisée pour le calibrage. Temps de propagation de groupe et phase d'un convertisseur Trc2 S2 db Mag db / Ref db Trc3 MixPhas Real 2 / Ref 6 MixPhas GHz db GHz Fig. 5 En bleu : affaiblissement de conversion, en gris : phase relative, en vert : temps de propagation groupe, en orange : déviation par rapport à la phase linéaire. CH Mix Frq RFCenter GHz Pwr 3. dbm Span MHz Trc MixDly Real ns/ Ref 3 ns Trc4 MixPhas Real 5 / Re 2 MixPhas GHz 42.8 ns GHz Trac Stat: Trc4 MixPhas Lin. Deviation: Tracking Slope: /MHz 5 El. Length: m Constant: CH Mix Frq RF Center GHz Pwr 3. dbm Span MHz 3

4 Fig. 6 Synoptique du montage de mesure. L utilisation des deux sources internes de l analyseur de réseau 4 ports R&S ZVA garantit un décalage de fréquence identique entre les porteuses RF et les NCO. Montage de mesure pour mesures de temps de propagation de groupe Récepteur de référence numérique PORT 2 NCO 2 2 = f2 NCO PORT 2 Récepteur de référence numérique PORT NCO 2 FI RF PORT NCO SOURCE SOURCE IN SOURCE OUT MEAS OUT Option ZVA-B9 PORT 3 SOURCE 2 ZVA Calibrage Montage de mesure Réf. Atténuateur Générateur de signaux RF FI Option ZVA-B9 RF FI RF IF Fig. 7 Configuration pour le calibrage avec un mélangeur connu. Fig. 8 Configuration pour la mesure d un convertisseur. ACTUALITÉS 2/ 4

5 Exemples de mesure Mesure sur convertisseurs à transposition unique La figure 8 illustre un exemple de mesure sur un convertisseur de fréquence avec un seul mélangeur. Les effets d instabilité en fréquence de l sur un convertisseur sont étudiés dans les exemples à 3 (fig. 9 à ). Dans l exemple, le convertisseur a d abord été utilisé avec un stable en fréquence et en phase. Dans l exemple 2, la fréquence de l a ensuite été décalée de khz et dans l exemple 3, l a été modulé en fréquence avec khz. Comme prévu, les écarts de fréquence et les instabilités influencent fortement la mesure de la perte de conversion l erreur de mesure est ici de 2 db (exemples 2 et 3) mais sans effet toutefois sur le résultat de mesure du temps de propagation de groupe. Cela tient au fait que les variations de la fréquence de l s appliquent de façon identique aux Exemple Trc MixDly Real 2 ns/ Re4 ns MCal Trc2 b2/a db Mag db/ Ref db b2/a GHz 8.8 ns Ch Mix Frq RF Center GHz Pwr dbm Span 3 MHz Exemple 2 Trc MixDly Real 2 ns/ Re4 ns MCal Trc2 b2/a db Mag db/ Ref db Mem3[Trc2] b2/a db Mag db/ Ref db b2/a GHz 8. ns Ch Mix Frq RF Center GHz Pwr dbm Span 3 MHz Fig. 9 Mesures sur un convertisseur avec un stable en fréquence et en phase ; en bleu : affaiblissement de conversion, en noir : temps de propagation de groupe. Fig. Mesures sur un convertisseur avec un décalage de l de khz ; en bleu : affaiblissement de conversion, en noir : temps de propagation de groupe, en orange : affaiblissement de conversion mémorisé à partir de l exemple. Exemple 3 Trc MixDly Real 2 ns/ Re4 ns MCal Trc2 b2/a db Mag db/ Ref db Mem3[Trc2] b2/a db Mag db/ Ref db b2/a GHz 8.5 ns Ch Mix Frq RF Center GHz Pwr dbm Span 3 MHz Exemple 4 Trc MixDly Real ns/ Re8 ns Trc2 b2/a db Mag. db/ Ref 4 db b2/a Ch Mix Pwr RF Start dbm * 8.75 dbm 4.59 db Freq GHz Stop 5 dbm Fig. Mesures sur un convertisseur avec une modulation de fréquence de khz de l ; en bleu : affaiblissement de conversion, en noir : temps de propagation de groupe, en orange : affaiblissement de conversion mémorisé à partir de l exemple. Fig. 2 Mesure de l affaiblissement de conversion (en bleu) et du temps de propagation de groupe (en noir) en fonction du niveau d entrée. 5

6 Montage de mesure avec et sans accès aux IF IF freq. control freq. ref Fig. 3 Montage de mesure pour la mesure du temps de propagation de groupe et de la phase relative sur des convertisseurs à transposition multiple ; à gauche sans et à droite avec accès aux. deux porteuses du signal à deux tons. La méthode à deux tons s appuyant sur la différence de phase des deux tons pour déterminer le temps de propagation de groupe, cette différence compense les variations et les instabilités de fréquence ou de phase de l. Grâce à la méthode à deux tons de l option R&S ZVA-K9, le temps de propagation de groupe n est pas seulement affiché en fonction de la fréquence mais également pour la première fois en fonction du niveau (exemple 4, fig. 2), ce qui est très avantageux pour les convertisseurs actifs. Mesures sur convertisseurs à transposition multiple L option R&S ZVA-K9 convient parfaitement pour les convertisseurs à transposition multiple. Elle prévient, en particulier pour les convertisseurs à plusieurs oscillateurs locaux internes, les problèmes liés à la dérive en fréquence ou en phase des oscillateurs locaux, rencontrés avec d autres méthodes de mesure. Le montage de mesure ne différant pas de celui utilisé pour la caractérisation d un convertisseur à transposition unique, il est recommandé pour sa simplicité et sa rapidité, même si les oscillateurs locaux sont accessibles (fig. 3). Conclusion Les mesures de temps de propagation de groupe sur des composants de fréquence sans accès à l n ont été souvent possibles que lorsque l interne de l OST répondait à de hautes exigences en termes de stabilité. Les écarts de phase ou de fréquence provoqués par des dérives, le bruit de phase ou la modulation de fréquence ont considérablement limité les méthodes précédentes dans leur précision. La nouvelle méthode à deux tons, implémentée par Rohde&Schwarz dans les analyseurs de réseau haut de gamme R&S ZVT, permet de réaliser des mesures de temps de groupe sur des convertisseurs à transposition unique ou multiple, même avec des oscillateurs locaux modulés en fréquence et ce, sans sacrifier les performances. A cet effet, le R&S ZVA stimule l OST avec un signal à deux tons et mesure les écarts de phase des deux porteuses à l entrée et à la sortie. L architecture spéciale des analyseurs de réseau avec leurs deux étages de mélange numériques dans chaque récepteur permet de réaliser la mesure de phase nécessaire sur deux signaux de fréquences différentes. Thilo Bednorz De plus amples informations sont disponibles dans la note d application EZ6 «Group Delay Measurements on Frequency Converters» à télécharger gratuitement sur le site Internet de Rohde& Schwarz (en anglais). ACTUALITÉS 2/ 6